光線跟蹤：下一代顛覆性的視頻技術(shù)

近日，Imagination Technologies公司CEO(首席執(zhí)行官) Hossein Yassaie爵士在京表示，其VPU（視頻處理單元） IP--PowerVR要推出光線跟蹤等視頻技術(shù)，并認(rèn)為光線跟蹤可能是一種顛覆性的技術(shù)，會(huì)在未來(lái)三四年改變GPU的市場(chǎng)。

電影《阿凡達(dá)》這部純計(jì)算機(jī)制作的影片就實(shí)現(xiàn)了光線跟蹤技術(shù)。將來(lái)這種新技術(shù)會(huì)誕生一些更有意思的游戲，或者大家在網(wǎng)上購(gòu)物時(shí)甚至能把虛擬的物品在家里就可以看到。

                        光線跟蹤：劃時(shí)代的渲染方式
光線跟蹤是一個(gè)不同于現(xiàn)有的圖像技術(shù)的一個(gè)新興的技術(shù)概念。我們現(xiàn)有的所有計(jì)算的模型都是基于紋理渲染的。什么是紋理渲染？你會(huì)看到所有的計(jì)算的游戲也好，包括它創(chuàng)造的一些電影場(chǎng)景也好，里面的現(xiàn)場(chǎng)感和盡量模擬真實(shí)物理的方式都是通過(guò)預(yù)先做好的渲染好的貼圖和紋理做成的。它有一個(gè)很大的問(wèn)題是會(huì)消耗大量的人力和精力，以便做到盡可能趨近于真實(shí)場(chǎng)景的方式；同時(shí)因?yàn)楹芏噘N圖都是預(yù)先渲染好的，所以它對(duì)光線的限制/臨場(chǎng)感覺(jué)的限制就非常大。

例如，如果你渲染一輛車(chē)，通常不能改變它的角度；如果稍微改變一下它的角度，就要重新再去做紋理。你要盡量模擬自然光線的話，它的光線照射角度，包括折射、反射、漫反射等都是不一樣的。

光線跟蹤技術(shù)是未來(lái)的一個(gè)劃時(shí)代的新興的渲染方式，它是一個(gè)顛覆性的創(chuàng)新，它把傳統(tǒng)的預(yù)渲染好的紋理貼圖的方式變成了最自然的光線渲染的方式，也就是最接近我們自然逼真的場(chǎng)景。

事實(shí)上，今天我們的雙眼能夠看到的場(chǎng)景全部都是因?yàn)楣猓ㄟ^(guò)光源在不斷地反射、漫反射和折射到各個(gè)不同的物理材質(zhì)上所發(fā)生的一些光學(xué)的變化。光線跟蹤技術(shù)簡(jiǎn)單地講，就是跟蹤每一個(gè)由光源發(fā)出的光線，讓它經(jīng)過(guò)不同的物理材質(zhì)，給這些物理材質(zhì)賦予不同的反射折射的特性，從而體現(xiàn)出一個(gè)非常接近于真實(shí)場(chǎng)景的渲染。

                               光線跟蹤的歷史
光線的跟蹤實(shí)際上早已應(yīng)用在了很多產(chǎn)品上，包括現(xiàn)在最主流的應(yīng)用方向是廣告和電影業(yè)，它已經(jīng)存在于這個(gè)行業(yè)里面很多年了。但是現(xiàn)在的主要問(wèn)題是如何要做到很真實(shí)、逼真的場(chǎng)景感，這樣的光線跟蹤技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要?jiǎng)佑么罅康姆?wù)器，它現(xiàn)在還是基于非常龐大的CPU服務(wù)器陣列的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。也有一些工具是通過(guò)其他的GPU，但是也是軟件方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

它帶來(lái)了兩個(gè)大問(wèn)題：第一是成本，包括功耗，包括設(shè)備本身的投入。第二是實(shí)時(shí)性，它現(xiàn)在還做不到實(shí)時(shí)性。例如，我們現(xiàn)在每一秒的動(dòng)畫(huà)可能至少24幀，甚至在現(xiàn)在的數(shù)據(jù)廣播中都會(huì)把它加到30幀甚至60幀。但事實(shí)上每一幀如果用傳統(tǒng)的光線跟蹤來(lái)做的話，可能都要幾個(gè)小時(shí)，所以很難達(dá)到一個(gè)實(shí)時(shí)渲染的效果。

光線跟蹤本身是一種理論的實(shí)現(xiàn)方式，它并不是一個(gè)專利的東西，也有很多教科書(shū)你可以看到。更多的代表Imagination技術(shù)的是它的實(shí)現(xiàn)手段和技術(shù)力量。所以按照現(xiàn)有的其他廠商的方式，它的功耗和成本都是非常大的。用Imagination的方式，如果我們用一個(gè)比較數(shù)量化的方式來(lái)檢驗(yàn)它的性能，就是系統(tǒng)帶寬的占比。用傳統(tǒng)方式來(lái)做模型跟蹤的話，和我們自有的專利技術(shù)做模型跟蹤它的帶寬占用的不同的差異可以達(dá)到200倍。這也體現(xiàn)了Imagination的效率可以達(dá)到200倍以上的效率。Imagination更多的技術(shù)專長(zhǎng)和技術(shù)專利保護(hù)是在實(shí)現(xiàn)方式上的轉(zhuǎn)移。

最后也是最重要的，光線跟蹤的優(yōu)勢(shì)就是它能夠極大地節(jié)省人力資源成本，在現(xiàn)有渲染方式下所有的復(fù)雜場(chǎng)景都是預(yù)先渲染好的，所以它需要大量人力物力的投入。電影《阿凡達(dá)》就是應(yīng)用到了光線跟蹤的技術(shù)。事實(shí)上，應(yīng)用光線跟蹤技術(shù)已經(jīng)極大地減少了它的工作量，但是它仍然耗費(fèi)了三年的時(shí)間。如果用新的技術(shù)，實(shí)際上可以大大地節(jié)省人力物力。

                         未來(lái)潛力大
在過(guò)去，我們視頻資源基本上只來(lái)自于數(shù)字電視廣播，但是自從出現(xiàn)了Youtube這樣視頻網(wǎng)站之后,每一個(gè)人都可以成為一個(gè)內(nèi)容的制造者和傳播者，極大地豐富了視頻和我們生活中視頻的使用。同樣，我們也相信光線跟蹤會(huì)在未來(lái)帶來(lái)一個(gè)劃時(shí)代的改變，它不光是在渲染方式上劃時(shí)代的轉(zhuǎn)變，更多的是在內(nèi)容豐富層面上的劃時(shí)代的改變。